城市電動(dòng)車的模塊化車身結(jié)構(gòu)型式

【德】 M.Münster M.Schffer G.Kopp H.Friedrich

1 電動(dòng)車研究平臺(tái)

當(dāng)今的模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件和平臺(tái)絕大多數(shù)是針對(duì)內(nèi)燃機(jī)的動(dòng)力驅(qū)動(dòng)部件設(shè)計(jì)的。雖然為混合動(dòng)力和純電動(dòng)車提供了接口［1］，但是至今在整車設(shè)計(jì)和車身開發(fā)中并未引起普遍重視。德國(guó)航空和航天中心（DLR）在新一代車輛（NGC）項(xiàng)目框架內(nèi)，以城市模塊化車輛（UMV）為例，進(jìn)行方案開發(fā)和車身開發(fā)，并根據(jù)目前的趨勢(shì)，專門為電動(dòng)車開發(fā)了一個(gè)研究平臺(tái)。

2 研究方法

圖1示出了從車輛方案確立直至UMV模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件形式的整個(gè)流程模式，首先確定可定量描述車輛方案的參數(shù)，然后在方案中確定車輛的布置方案和設(shè)計(jì)尺寸并與整體設(shè)計(jì)相協(xié)調(diào)，為此建立了一種參數(shù)結(jié)構(gòu)空間模型，得到各種不同的布置方案，并予以評(píng)價(jià)。

為了設(shè)計(jì)出最優(yōu)化的純電動(dòng)車車身結(jié)構(gòu)，需要在車身開發(fā)階段遞交有關(guān)的布置要求。借助于優(yōu)化的布置方案在整車層面上分析負(fù)荷來源。系統(tǒng)的車身模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件和數(shù)據(jù)庫被應(yīng)用于兩種車身結(jié)構(gòu)方案［2］，緊接著在各種不同樣車上部分驗(yàn)證并確認(rèn)同一種方案，同時(shí)針對(duì)純電動(dòng)車的碰撞情況設(shè)計(jì)車身。用于新型地板的柱樁碰撞被選擇作為樣車以驗(yàn)證其負(fù)荷狀況，并在碰撞試驗(yàn)裝置上進(jìn)行試驗(yàn)（圖1）。

圖1 從車輛方案確立直至UMV標(biāo)準(zhǔn)化部件形成的整個(gè)流程模式

3 城市模塊化車輛及其總體布置方案

UMV基本型／加長(zhǎng)型是一種“2＋2”座位車輛，其長(zhǎng)度約為3 600mm／4 000mm，高度為1 640mm，提供了良好的視野及符合人機(jī)工程學(xué)的上車高度。UMV的蓄電池容量約為38kW·h，無蓄電池的空車質(zhì)量為680kg，載重質(zhì)量為390kg時(shí)的行駛里程可達(dá)到約400km?；拘蚒MV的輪邊驅(qū)動(dòng)功率為2×25 kW，在高速公路上的車速仍可達(dá)到140km／h（表1）。車廂的特點(diǎn)是座位可調(diào)節(jié)、可折疊、可旋轉(zhuǎn)，特別適合于城市車輛，因而能用于單人駕乘至整個(gè)家庭?；拘蚒MV的輔助系統(tǒng)足以支持全自動(dòng)駕駛。載貨變型車還提供了多種車型方案，即在前排座位的后方采用合適的車身，標(biāo)準(zhǔn)型和加長(zhǎng)型車型最多可運(yùn)送容積達(dá)2 800L的貨物。這些載貨變型車最明顯的發(fā)展趨勢(shì)是需要達(dá)到SAE第五級(jí)全自主行駛的要求。它們提供了功能強(qiáng)大的研究平臺(tái)，在該平臺(tái)上可研究方案和結(jié)構(gòu)方面的工作原理（圖2和圖3）。

表1 UMV基本型和加長(zhǎng)型方案描述參數(shù)一覽表

4 車身結(jié)構(gòu)開發(fā)

圖2 基本型UMV的布置

圖3 基本型UMV、加長(zhǎng)型UMV、送貨型UMV、客運(yùn)型UMV、貨運(yùn)型UMV，以及模塊化地板模型

對(duì)于UMV改型車的車身開發(fā)要更詳細(xì)地加以說明。在開發(fā)車身時(shí)要借助于結(jié)構(gòu)空間模型和所選的布置方案，在起步階段時(shí)就通過整車層面進(jìn)行負(fù)荷試驗(yàn)，并在結(jié)構(gòu)模型上加載低頻負(fù)荷（圖4），同時(shí)在各種不同的條件下進(jìn)行負(fù)荷分析，例如結(jié)構(gòu)布置受限制、結(jié)構(gòu)布置不受限制和無碰撞區(qū)域［3］。借助于負(fù)荷試驗(yàn)、系統(tǒng)的車身方案模塊化標(biāo)準(zhǔn)部件和車身數(shù)據(jù)庫衍生出UMV車身。

圖4 基本型UMV的模型采用11個(gè)靜態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)荷，跟據(jù)路徑選取優(yōu)化結(jié)果

該結(jié)構(gòu)的主要特點(diǎn)是由型材和結(jié)節(jié)組成的鋁強(qiáng)化框架結(jié)構(gòu)并用作功能集成的剪切面及纖維加強(qiáng)塑料的表面構(gòu)件（圖4）。橫梁和縱梁采用鋁型材，這些鋁型材不僅提供了長(zhǎng)度的可變性和橫截面的適應(yīng)性，而且還提供了集成其他功能的潛力。從車前部地板至后部地板的過渡則由結(jié)節(jié)來實(shí)現(xiàn)。這些結(jié)節(jié)結(jié)構(gòu)提供了良好的可能性，能在該結(jié)構(gòu)組件接口上集成盡可能多的功能及用作不同改型車的模塊化接口。首先在雙層地板和蓄電池盒內(nèi)使用夾層結(jié)構(gòu)，并將承載機(jī)械負(fù)荷與其他功能（例如絕緣、通風(fēng)道、能量吸收）相結(jié)合。在橫梁與內(nèi)部縱梁之間的側(cè)面碰撞范圍內(nèi)，預(yù)先考慮采用新型的夾層方案來保護(hù)乘員和蓄電池。在圖4所介紹的UMV車身結(jié)構(gòu)方案中，不僅有型材而且還存在典型的剪切區(qū)域。在基本型、加長(zhǎng)型和載人型UMV改型車的情況下，因受設(shè)計(jì)限制而遭放棄的B柱，被集成在車門上。基本型UMV白車身的目標(biāo)質(zhì)量為182kg。

5 模塊化車身

由結(jié)節(jié)元件、直型材和夾層板組成的平臺(tái)有助于建造各種不同的改型車（圖4）。加長(zhǎng)型UMV車型的地板模塊加長(zhǎng)了400mm。包括B柱在內(nèi)的整個(gè)車身后部結(jié)構(gòu)使用了一種新型的長(zhǎng)頂棚橫梁。因?yàn)檐図斒强勺兊模蚨仨氝m應(yīng)其他的構(gòu)件。短的UMV送貨車型在B柱中間的結(jié)構(gòu)上采用了相同的接口，并從X坐標(biāo)軸方向引向正后方（圖3）。UMV送貨車結(jié)構(gòu)的后部由獨(dú)特的型材和過渡區(qū)的結(jié)節(jié)元件連接成后車。UMV送貨車型也被設(shè)計(jì)成具有400mm較大輪距的加長(zhǎng)型，其中也必須調(diào)整焊裝用的后部車頂橫梁和頂板構(gòu)件。

對(duì)于符合SAE第五級(jí)要求的車輛，這些結(jié)構(gòu)方案包括了UMV客車和UMV貨車。用于市內(nèi)運(yùn)輸?shù)腢MV客車由前部車體、后部車體和上部結(jié)構(gòu)組合而成，因此能開發(fā)出具有眾多通用件和成本千差萬別的改型車（圖4）。

6 以地板組件為例的驗(yàn)證

UMV車身針對(duì)穩(wěn)態(tài)和動(dòng)態(tài)負(fù)荷（圖4）進(jìn)行設(shè)計(jì)。UMV改型車的計(jì)算抗扭性能為32.860N·m／°，第一級(jí)扭轉(zhuǎn)自振頻率為48.4Hz。選擇柱樁碰撞試驗(yàn)作為UMV的負(fù)荷狀況驗(yàn)證方法，因?yàn)榧冸妱?dòng)車涉及到蓄電池的安全性，這種負(fù)荷狀況是較為苛刻的狀況之一。

在柱樁碰撞（圖5）試驗(yàn)條件下，地板碰撞模塊的橫梁結(jié)構(gòu)因發(fā)生皺褶凹陷而吸收了部分碰撞能量，緊接著將負(fù)荷分配到兩塊梯形夾層碰撞吸收板上，再通過梯形夾層板芯板的皺褶凹陷將約70%的能量轉(zhuǎn)化變形。梯形夾層碰撞吸收板被安裝在整個(gè)地板模塊上，以保護(hù)乘員和蓄電池。碰撞吸收板將負(fù)荷分配到構(gòu)成蓄電池盒框架的內(nèi)置縱梁，以及車輛地板和蓄電池盒之間的夾層板上。從整車碰撞計(jì)算得知Y坐標(biāo)軸方向的碰撞嵌入深度小于182mm。

圖5 UMV柱樁碰撞方案

為了驗(yàn)證設(shè)計(jì)和整車碰撞中的假設(shè)，在每個(gè)步驟中地板碰撞模塊都要在碰撞裝置上進(jìn)行試驗(yàn)（圖6），最初試驗(yàn)帶和不帶周邊閉合型材的最小梯形吸收板（驗(yàn)證等級(jí)1和2）布置在整個(gè)地板碰撞模塊上（驗(yàn)證等級(jí)3）。

圖6 地板碰撞模塊的碰撞試驗(yàn)

不帶周邊閉合型材的梯形吸收板在驗(yàn)證等級(jí)1的部件層面上針對(duì)功能效率和能量吸收功能進(jìn)行優(yōu)化［4］。在優(yōu)化中通過改變梯形板及其頂層的壁厚、梯形的角度和吸收板的厚度來實(shí)現(xiàn)，此外還可使用不同的鋁合金。梯形板的芯板部分與頂層用約0.3mm厚的粘合劑進(jìn)行粘合。選擇梯形角α＝120°和1mm厚的EN-AW-5083鋁合金板用于驗(yàn)證方案和模擬計(jì)算結(jié)果。

力-行程曲線圖（圖6）示出了梯形夾心吸收板的模擬計(jì)算曲線（黑線）和試驗(yàn)曲線（紅線）。無論是模擬計(jì)算還是試驗(yàn)，其曲線的力峰值均為84kN，其他的曲線段則呈現(xiàn)均勻的波紋曲線，其力的水平約為33kN（試驗(yàn)）和36kN（模擬計(jì)算）。在驗(yàn)證等級(jí)2中，因?yàn)樘菪挝瞻宓倪吘壊粦?yīng)該是敞開的，梯形周邊分別用邊緣封閉型材料固定并用螺釘擰緊。此時(shí)試驗(yàn)與模擬計(jì)算的結(jié)果表明其具有良好的一致性，梯形吸收板的芯板部分也呈現(xiàn)出良好的皺褶形狀，而且還能進(jìn)一步優(yōu)化。

在驗(yàn)證等級(jí)3的過程中，對(duì)地板碰撞模塊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)字模擬計(jì)算，并在真實(shí)的場(chǎng)景中進(jìn)行試驗(yàn)。為了改進(jìn)樣品，有必要對(duì)橫梁進(jìn)行一些調(diào)整，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)改善內(nèi)部縱梁和蓄電池盒的柔韌性。在表示試驗(yàn)過程的力-行程曲線圖（圖6）中，黑線表示模擬計(jì)算結(jié)果，力的峰值約為242kN，碰撞嵌入深度約為153 mm，而在實(shí)際試驗(yàn)中力的最大值為237kN，碰撞嵌入深度約為1 566mm。力-行程曲線圖顯示出柱樁被柔韌地嵌入凹陷橫梁，緊接著力逐漸增大，在兩塊梯形吸收板凹陷時(shí)會(huì)出現(xiàn)凸臺(tái)。在該條件下，試驗(yàn)與模擬計(jì)算結(jié)果之間的偏差是最小的，并且可用邊界條件來解釋，因此碰撞能量吸收方案成功地證實(shí)了其作用原理。

7 展望

UMV車身將針對(duì)前車體、后車體和新型車門等方案進(jìn)行進(jìn)一步的開發(fā)。各種不同的改型車也要進(jìn)行進(jìn)一步細(xì)化設(shè)計(jì)，并針對(duì)所選擇的碰撞負(fù)荷來確定尺寸。而對(duì)于UMV基本方案，例如蓄電池盒等部件仍有待驗(yàn)證確認(rèn)。此外，其中某一款車型將作為示范車型來制造。